第六章简单控制系统化工专

1、第六章 简单控制系统,第一节 简单控制系统的结构与组成 第二节 简单控制系统的设计 第三节 控制器参数的工程整定,第一节 简单控制系统的结构与组成,简单控制系统：由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。,图6-1 液位控制系统,该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的,第六章 简单控制系统,第一节 简单控制系统的结构与组成 第二节 简单控制系统的设计 第三节 控制器参数的工程整定,第二节 简单控制系统的设计,简单控制系统的方框图,一、被控变量的选

2、择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器控制规律的选择;,所谓“关键”变量：是指对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的变量；或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。,1. 采用直接指标控制,直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（压力、流量、物位、温度等）,直接指标控制最直接，最有效。,一、被控变量的选择,被控变量：希望保持恒定值（或按一定规律变化）的变量,2. 采用间接指标控制,1）精馏原理,2）精馏塔对自控的要求,要求苯、甲苯达到一定的纯度，因此，馏出物的组分浓度xD应作为被控变量。,xD为被控变量，

3、获取测量信号尚有困难时，可以找出与xD有关的参数作为被控变量，进行间接指标控制。,选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量作为间接控制指标,利用被分离物各组分的挥发度不同，把混合物中的各组分进行分离,3）找出与XD有关的参数,XD = f（TD，p）,（浓度与温度和压力有关）,当压力恒定时，即p = 常数,XD = f（TD）,如图所示 XD温度越低 TD XD温度越高 TD,测出温度可以知道浓度。,当温度恒定时，即TD = 常数,XD = f（p）,如图所示 XD压力越高 P XD压力越低 P,测出压力可以知道浓度。,4）考虑工艺的合理性,结论：固定压力，选择温度为被控变量。,5

4、）考虑被控变量的灵敏度。,6）考虑被控变量间的独立性。,选择被控变量的原则,(1).能代表工艺的操作指标，能反映工艺操作状态。,(2).被控变量在操作过程中经常受到干扰影响，需要频繁控制的。,(3).尽量采用直接指标作为被控变量。当直接指标无法获得时，应选与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。,(4). 被控变量应能被测量出来，并有足够大的灵敏度。,(5).考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。,(6).被控变量应是独立可控的。,二、操纵变量的选择,干扰作用对被控变量的影响是使其偏离给定值。,操纵变量则是要克服干扰对被控变量的影响。,简单控制系统的方框图,1. 操纵变量,图6-1 液位控

5、制系统,操纵变量是执行器所控制的参数。实现控制作用。,最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。,2. 对象特性对选择操纵变量的影响,干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值； 操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。,(1) 对象静态特性的影响,放大系数 K0， Kf ，是对象的静态参数。,控制通道的放大系数 K0： 希望 K0值大一些好, K0越大, 表示控制作用灵敏, 抑制干扰的能力越强。但K0太大会破坏系统的稳定性。,干扰通道的放大系数 Kf： Kf无论大、小对被控变量的质量都有害， 希望 Kf尽可能小。,（2）对象动态特性的影响

6、, 控制通道时间常数T0 的影响,T0太大或太小都不利于提高控制质量。,控制通道如果是一阶环节，T0小，控制就灵敏。但太小，控制作用过于灵敏易引起控制过程震荡，而不稳定。,控制通道如果是二阶环节，T0大，控制作用就反应迟钝,过渡时间长，控制作用就弱。,希望T0适当小，有利于克服干扰,缩短过渡过程的时间。,干扰通道时间常数 Tf 对控制质量的影响,Tf越大，对被控变量影响越小。,如果控制通道0大，那么T0也大。因此，对象较难控制.纯滞后时间0应尽量小。,控制通道 小为好, 控制通道滞后时间 0的影响,如图 并不起作用。被控变量只是推迟 时间变化。,干扰通道滞后时间f对控制质量的影响,小结：,(3

7、). 0越小越好, f对被控变量无影响。,(2). T0适当小， Tf越大越好；,(1). K0适当大，Kf 越小越好；,3. 操纵变量的选择原则,(1). 操纵变量是可控的，即工艺上允许调节的变量。,(2).操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。,(3).考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般避免用生产负荷作为操纵变量。,举例,将浓缩乳液干燥成乳粉，生产上采用喷雾式干燥设备。在一定的干燥温度下获得合格产品。,冷气流量,分析一下影响干燥塔 温度的因素。,1.乳化物流量Q1的改变将影响干燥塔温度。,2.冷风量Q2的变化影响干燥塔温度。,3.蒸汽流量Q3的变化,影响干燥塔温度。,Q1,Q

8、2,Q3,蒸汽压力的变化将引起干燥塔温度。,第一种方案：乳化物流量Q1为操纵变量,考虑工艺的合理性。乳化物流量是生产负荷，需要稳定，不易作操纵变量。,根据操纵变量选择原则进行分析：,第二种方案：空气流量Q2为操纵变量,空气量与热风混合通过风管进入干燥器，较第一方案控制通道滞后时间稍大, 灵敏度次之。,第三种方案：蒸汽流量Q3为操纵变量,控制通道很长，纯滞后、容量滞后大，灵敏度差。 T0、0大，不易作操纵变量。,设计出以干燥器温度为被控变量，冷空气流量为操纵变量，温度控制系统。,Q1,Q3,简单控制系统的方框图,第二节 简单控制系统的设计,一、被控变量的选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件

9、特性的影响；,四、控制器控制规律的选择;,1.测量元件的时间常数,测量元件本身时间常数Tm所造成的测量滞后。 （如测温元件）,解决方法：,1）选择快速测量元件（一般Tm1/10TC为宜）； TC：对象时间常数,2）正确选择安装位置；,3）测量元件之后引入微分作用。,三、测量元件特性的影响,2.测量元件的纯滞后,测量的纯滞后有时是由测量元件安装位置引起的。,1) 合理选择测量元件的安装地点，尽可能缩短纯滞后时间。 2）采用复杂控制系统。,解决方法：,延迟时间0:,图7-13,3.信号的传递滞后,1)测量信号传送产生的滞后: 指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。,2)控制信

10、号传送产生的滞后: 指由控制室内控制器的输出信号传送到现场执行器所引起的滞后。,解决方法：,1）气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动继动器增大输出功率； 2）现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气电转换器 。,第二节 简单控制系统的设计,一、被控变量的选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器控制规律的选择;,四、控制器控制规律的选择,1. 控制器控制规律的确定,对于单元组合仪表：,特点：控制器的输出与偏差成比例，克服干扰能力强，过渡过程时间短，过程终了存在余差。,(1)、比例控制器,适用范围：控制通道滞后较小，负荷变

11、化不大，允许余差存在。,(2)、比例积分控制器,根据对象的特性和工艺要求来决定选择P、PI、PID。,特点：过程结束时无余差，超调量和振动周期较大，过渡过程时间较长。,适用范围：控制通道滞后较小，负荷变化不大，不允许余差存在。,(3)、比例积分微分控制器,特点：微分作用能克服对象的滞后。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性、再加上积分作用能消除余差。,适用范围：容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。,2. 控制器正反作用的确定,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 即：被控变量值偏高，则控制作用应使之降低； 被控变量偏低，则控制作用应使之升高。,通过改变控制器的正、反作用

12、，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的的闭环系统。,定义各环节的作用方向：,作用方向：指各环节输入变化后，输出的变化方向。,输入增加时，输出增加，则称为“正作用”；+ 输入增加时，输出减少的，则称为“反作用”；-,测量变送器： 当被控变量增加时，其输出也增加。因此，测量变送器一般都是正作用方向，”+”,被控对象： 当操纵变量增加时，被控变量增加，则对象为“正作用”。”+” 当操纵变量增加时，被控变量降低，则对象为“反作用”。”-”,执行器： 气开阀： 信号增大时，阀开大,为正作用方向,用“+”号表示。 气关阀： 信号增大时，阀关小,为反作用方向,用“-”号表示。,控制器： 控制器的输出取决于于

13、被控变量的测量值与给定值之差 （e=z-x）。,正作用控制器： 输入偏差e增大时,控制器输出p增大,为正作用方向。用“+”号表示。 反作用控制器： 输入偏差e增大时，控制器输出p减少,为反作用方向。 用“-”号表示。,如果四项相乘为负值时， 系统为负反馈。,例：加热炉出口温度控制，确定控制器的正、反作用。,1.对象：当阀开大时, 被控变量增大，作用方向为正作用，“+”。,4.控制器：选反作用的，”-”。,3.变送器：选正作用，“+” 。,2.确定执行器的气开、气关： 因炉温不允许过高。所以一但信号中断时阀应 关死 （信号=0）。 所以选气开阀。 “+”,6-15,例：液位控制，确定控制器的正、

14、反作用。,1.确定执行器的气开、气关： 因塔釜液位不允许过低。所以一但信号中断时阀 应关死（信号=0）,所以选气开阀。为“+”表示。,2.变送器：选正作用，“+” 。,4.控制器：选正作用的,”+”。,3.对象：当阀开大时, 被控变量减少, 作用方向为反作用，“-”。,6-16,第六章 简单控制系统,第一节 简单控制系统的结构与组成 第二节 简单控制系统的设计 第三节 控制器参数的工程整定,第三节 控制器参数的工程整定,工程整定的方法有两种: 理论计算法和工程整定法。,理论计算法:根据已知的广义对象特性及控制质量的 要求,通过理论计算出控制器的最佳参数。,工程整定法:在已经投运的实际控制系统中

15、,通过实验和探索,来确定控制器的最佳参数。,控制器参数整定:确定最合适的 、TI 和TD ，使 控制质量为最佳。,一、临界比例度法,1. 在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用。,2. 在干扰作用下，从大到小逐 渐改变控制器比例度，直至系统产生等幅振荡（即临界振荡）这时的比例度是临界比例度k，周期为临界周期Tk 。,（Ti=，TD = 0位置上）。,3. 记下k 、Tk ，然后按表7-1中公式计算出控制器的各参数整定数值。,4.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线，调参数。,注意：对于工艺上不允许有等幅振荡的系统， 不能使用。,对于临界比例度小的系统，不能使用。,二、衰减曲线法,通过使系统产生衰减振荡来整定控制器参数值。具体作法：,1. 在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用。并将比例度放在较大的数值上；,2.系统稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰， 观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度直至出现4:1衰减为止，记下此时比例度s, 衰减周期Ts。,6-21,3.根据表6-2中经验公式，计算出控制器的整定值。,4.如果是10:1衰减曲线，方法同上，得到10:1衰减曲线时，记下此时比例度s和最大偏差上升时间T升。 根据表6-3中经验公式计算出 、TI、TD。,5.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线， 调参数。,6-21,